第04章核輻射失效及抗核加固

1、第四章核輻射失效及抗核加固1*核輻射環(huán)境由于核武器技術(shù)/空間技術(shù)和核動(dòng)力的發(fā)展，大量的電子設(shè)備和系統(tǒng)必然要處于在核武器爆炸和其它核環(huán)境下工作。核輻射環(huán)境對(duì)于電子系統(tǒng)來說是目前存在的最惡劣環(huán)境。核武器爆炸時(shí)，除了產(chǎn)生大火球和蘑菇云外，還會(huì)產(chǎn)生具有巨大破壞作用的沖擊波/光熱輻射/M射性沉降物/核輻射和核電磁脈沖等。其中，核輻射和核電磁脈沖對(duì)電子和電力系統(tǒng)/電子元器件的破壞作用最為嚴(yán)重。電子元器件所受的輻射損傷可以分為永久損傷/半永久損傷和瞬時(shí)損傷等幾種情況。永久損傷就是在輻射源去除后，元器件仍喪失工作性能不能恢復(fù)性能效應(yīng)；半永久損傷是輻射源去除后，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)元器件可逐漸地自行恢復(fù)性能；瞬時(shí)損

2、傷效應(yīng)是指在輻射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢復(fù)。人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船在空間飛行時(shí)，將受到空間各種高能粒子的轟擊?？臻g輻射的主要來源是天然輻射帶和高空核爆炸造成的人工輻射帶。天然輻射帶又稱為范艾倫輻射帶，它是由于地球附近存在著大量的帶電粒子，在地磁場(chǎng)作用下它們始終在地磁場(chǎng)的“捕獲區(qū)”內(nèi)運(yùn)動(dòng)而構(gòu)成。天然輻射帶象一條很寬很厚的帶子圍繞在地球周圍，其主要成分是質(zhì)子和電子。它又分內(nèi)輻射和外輻射兩部分。內(nèi)帶位于160-800Km的高度間，由能量小于500MeV的質(zhì)子和和能量小于1MeV的低能電子組成。外帶位于800-3200Km的高度間，主要是由能量為0.4KeV到1.6KeV的電子組成。范艾

3、倫帶的電子和質(zhì)子構(gòu)成了空間飛行器的主要威脅，飛行器外表面的太陽能電池和內(nèi)部的晶體管/集成電路等將受到損傷。中/低軌道的衛(wèi)星主要是受內(nèi)輻射帶中質(zhì)子和電子的影響；高軌道衛(wèi)星則主要是受到外輻射帶中的電子和太陽質(zhì)子事件粒子的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的大量的高能粒子，在地磁場(chǎng)的作用下沿磁力線來回運(yùn)動(dòng)，并逐漸擴(kuò)散而形成一個(gè)圍繞地球的輻射帶，它稱之為人工輻射帶。人工輻射帶由高能電子組成，它的強(qiáng)度比天然輻射帶強(qiáng)得多，對(duì)衛(wèi)星和飛船的電子設(shè)備/儀器儀表和電子元器件等都有較大的破壞作用。核反應(yīng)堆和同位素電池等也會(huì)在其周圍產(chǎn)生一定程度的核輻射。我們把這種環(huán)境稱為核動(dòng)力環(huán)境。核反應(yīng)堆周圍的核輻射主要是中子和丫射線；其中中子

4、引起的損傷比較嚴(yán)重。2*核輻照效應(yīng)極其機(jī)理核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的中子和丫射線和核電磁脈沖，以及空間輻射中的電子/質(zhì)子和高能粒子，雖然都能造成電子器件和電子系統(tǒng)的損傷，但它們對(duì)不同器件的損傷機(jī)理卻不相同。中子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生位移效應(yīng)，引起半導(dǎo)體器件的永久損傷；丫射線在半導(dǎo)體器件的表面鈍化層內(nèi)產(chǎn)生電離效應(yīng)，引起半永久損傷；瞬時(shí)丫輻射在反偏的半導(dǎo)體PN結(jié)中產(chǎn)生瞬時(shí)光電流；核爆炸時(shí)產(chǎn)生的核電磁脈沖會(huì)在電子系統(tǒng)內(nèi)部和外部產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電流，它們將引起電子系統(tǒng)的瞬時(shí)干擾和永久損傷?？臻g輻射中的高能電子能引起電離效應(yīng)；質(zhì)子能引起位移效應(yīng)。高能質(zhì)子/高能中子還能引起單粒子效應(yīng)。一.位移效應(yīng)中子不帶電，它具有很強(qiáng)的穿

5、透能力，可以足夠地靠近被照射材料原子的原子核。當(dāng)中子與原子核發(fā)生彈性碰撞時(shí)，晶格原子在碰撞中獲得能量后離開了它原來的點(diǎn)陣位置，成為晶格中的間隙原子，并在原來的位置上留下一個(gè)空位，因而形成了一個(gè)空位-間隙原子對(duì)。通常將它們稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷。這種現(xiàn)象稱為位移效應(yīng)。硅晶格原子的位移閾值約為15eV。中子彈性碰撞產(chǎn)生的高能晶格原子又能使更多的晶格原子位移，從而在晶體內(nèi)形成了局部損傷區(qū)-缺陷群。由于位移效應(yīng)破壞了半導(dǎo)體晶格的勢(shì)能，因而在禁帶中形成了新的電子能級(jí)；它可以起復(fù)合中心和雜質(zhì)補(bǔ)償中心以及載流子散射中心的作用，所以引起載流子濃度/電導(dǎo)率和少數(shù)載流子壽命及遷移率等大大下降，直接影響

6、半導(dǎo)體特性。位移效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體材料性能的影響有以下三方面：1 .減少半導(dǎo)體多數(shù)載流子的密度。由于孔穴-間隙原子對(duì)在禁帶中形成的新電子能級(jí)，可以充當(dāng)多數(shù)載流子的復(fù)空中心，從而引起了半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的減少，這種現(xiàn)象稱為多子去除效應(yīng)。把每平方厘米中的一個(gè)中子消除的自由多數(shù)載流子數(shù)目定義為載流子去除率，用以衡量中子對(duì)多數(shù)載流子的影響程度。因?yàn)檩d流子的去除率與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)有關(guān)，而費(fèi)米能級(jí)主要取決于雜質(zhì)濃度，因此，去除率直接與摻雜濃度有關(guān)。載流子去除效應(yīng)將引起N型和P型硅趨向于本征硅（即電阻率增大）。這種效應(yīng)是以多數(shù)載流子為導(dǎo)電機(jī)理的半導(dǎo)體器件特性衰退的主要原因。位移效應(yīng)和多子去除效應(yīng)對(duì)雙極器件的危害

7、最大，它增大了發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流，縮短了基區(qū)少子壽命，從而引起電流放大系數(shù)下降，飽和壓降增大以及微波管的截止頻率下降等。2 .載流子遷移率的衰減。中子輻照引起多數(shù)載流子密度和遷移率降低。3 .影響少數(shù)載流子壽命。少數(shù)載流子壽命是中子輻照引起半導(dǎo)體材料特性變化的最靈敏參數(shù)，它是以少數(shù)載流子為導(dǎo)電機(jī)理的半導(dǎo)體器件對(duì)中子輻照特別靈敏的主要原因。處于低注入下工作的雙極型晶體管，經(jīng)過1010個(gè)/cm2中子注量輻照器件特性開始衰減，而在1013個(gè)/cm2中子時(shí)則嚴(yán)重衰減。二.電離效應(yīng)當(dāng)輻射粒子穿透物質(zhì)并與原子軌道上的電子相互作用時(shí)，輻射粒子就會(huì)把能量傳遞給電子。如果電子獲得的能量大于它的結(jié)合

8、能時(shí)，電子將離開原來的軌道成為自由電子，原子則變成帶正電荷的離子而成為空穴，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這一過程稱為電離過程。1 .丫射線和X射線特別容易引起電離效應(yīng)。電離效應(yīng)在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可以很快地復(fù)合，因而對(duì)半導(dǎo)體器件的影響并不大。但是，在器件表面鈍化層中特別是MOS器件的柵氧化物中，因電離效應(yīng)形成的正空間電荷則構(gòu)成了電離陷阱，并使SiO2-Si界面密度增加；電離效應(yīng)在PN結(jié)上能產(chǎn)生PN結(jié)瞬時(shí)光電流；丫射線還可以使管殼中的氣體電離，在芯片表面積累可動(dòng)電荷，引起表面復(fù)合電流和溝道電流。2 .電離效應(yīng)對(duì)MOS器件的危害最大，它會(huì)導(dǎo)致閾值電壓漂移；對(duì)MOS電容器的C-V曲線，則引起曲線向負(fù)

9、柵方向漂移并發(fā)生嚴(yán)重畸變。三.瞬時(shí)輻射效應(yīng)1 .瞬時(shí)丫脈沖輻射在反偏PN結(jié)中將產(chǎn)生瞬時(shí)光電流。因?yàn)樗矔r(shí)輻照在PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了大量的電子-空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了漂移運(yùn)動(dòng)。即電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)，從而形成了空間電荷區(qū)的光電流。這種光電流的方向是從N區(qū)向P區(qū)，其大小與空間電荷區(qū)的寬度有關(guān)。而空間電荷區(qū)又與反偏電壓有關(guān)，所以空間電荷區(qū)光電流隨反偏壓的大小而變化。瞬時(shí)輻照在空間電荷區(qū)附近的少數(shù)載流子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的大量電子-空穴對(duì)，它們可以分別擴(kuò)散到空間電荷區(qū)邊界，由漂移運(yùn)動(dòng)通過空間電荷區(qū)，從而形成所謂擴(kuò)散區(qū)光電流。擴(kuò)散區(qū)光電流與空間電荷區(qū)光電流的方向相同，它的大小與

10、少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)，而擴(kuò)散長(zhǎng)度與少數(shù)載流子壽命有關(guān)，所以擴(kuò)散區(qū)光電流隨少數(shù)載流子壽命變化而變化。瞬時(shí)丫脈沖的寬度越大，產(chǎn)生的過量載流子越多，光電流也越大。因此，瞬時(shí)光電流的大小，直接與丫脈沖的劑量率/脈沖寬度/PN結(jié)面積，少數(shù)載流子壽命和反偏壓大小等因素有關(guān)。2 .瞬時(shí)輻照下，晶體管除了BC結(jié)產(chǎn)生的初始光電流外，還產(chǎn)生二次光電流。在高劑量率下，峰值光電流出現(xiàn)的突變現(xiàn)象，正是由二次光電流引起的。二次光電流的出現(xiàn)是由于BC結(jié)光電流流進(jìn)基區(qū)而提高于基區(qū)電位，它相當(dāng)于在EB結(jié)上加上了一個(gè)正向偏壓，引起發(fā)射結(jié)注入電流增大，因而使初始光電流得到了放大。放大后又出現(xiàn)的光電流被稱為二次光電流。由于二次光

11、電流大于初始光電流，從而使光電流偏離與劑量率的線性關(guān)系，出現(xiàn)突變。3 .瞬時(shí)輻照引起半導(dǎo)體器件發(fā)生栓鎖是另一種瞬時(shí)輻照效應(yīng)。這種效應(yīng)僅發(fā)生在有PNPN四層結(jié)構(gòu)的器件中，這種四層結(jié)構(gòu)等效于互補(bǔ)的PNP和NPN晶體管，它們相當(dāng)于可控硅結(jié)構(gòu)。體硅CMOS電路中因?yàn)榇嬖谥S多固有的四層結(jié)構(gòu)，所以特別容易引起栓鎖效應(yīng)。在PN結(jié)隔離的單塊集成電路中也同樣存在著許多寄生PNPN四層結(jié)構(gòu)。這種四層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生栓鎖的條件是：(1)互補(bǔ)晶體管的電流增益乘積大于1或等于1,即3pnp*3npn>1。4 2)兩只互補(bǔ)晶體管的發(fā)射結(jié)同時(shí)保持正向偏置(與輻照有關(guān))。5 3)電源能提供NPNP可控硅結(jié)構(gòu)的維持電流。瞬時(shí)輻

12、照在集成電路中產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流，有可能觸發(fā)寄生的四層可控硅結(jié)構(gòu)發(fā)生栓鎖。例如，一般未加固的CMOS電路，在106Gy(硅)/S量級(jí)劑量率的瞬時(shí)輻照下就會(huì)發(fā)生栓鎖。四.單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)又叫單粒子擾動(dòng)，是最近幾年發(fā)現(xiàn)的重要核輻射效應(yīng)。這種效應(yīng)是單個(gè)粒子作用的結(jié)果，故稱之為單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)使半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的錯(cuò)誤，稱之為軟錯(cuò)誤(可以恢復(fù))。它是一種隨機(jī)的非循環(huán)的單個(gè)錯(cuò)誤。隨著集成電路集成度的提高，元器件的尺寸進(jìn)一步減小，人們發(fā)現(xiàn)陶瓷管殼中存在微量放射性同位素產(chǎn)生的“粒子也能引起存儲(chǔ)器瞬時(shí)損傷(如64K動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)。1 .a粒子能引起單粒子效應(yīng)。a粒子是氯核粒子(Z=2),a粒子穿透硅片的

13、深度與它的能量有關(guān)。一般從陶瓷管殼中產(chǎn)生的a粒子，能量為5MeV,穿透深度為25um,產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的數(shù)目為106量級(jí)。a粒子在靈敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的大量電子-空穴對(duì)，由擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)分別被P區(qū)和N區(qū)收集，這種由電荷引起的電流能使半導(dǎo)體器件產(chǎn)生軟錯(cuò)誤。a粒子能量不同引起的軟錯(cuò)誤率也不同，能量在4MeV左右的a粒子引起的軟錯(cuò)誤率最大。a粒子的注入角度不同，引起的軟錯(cuò)誤率也不同；其中60*注入角引起的軟錯(cuò)誤最多，因?yàn)檫@樣的注入角度在靈敏區(qū)內(nèi)穿透的路徑最長(zhǎng)。對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，當(dāng)a粒子穿透存儲(chǔ)電容器時(shí)容易激發(fā)軟錯(cuò)誤，從而使“1”態(tài)反轉(zhuǎn)成“0”態(tài)。因?yàn)閍粒子穿透電容時(shí)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在電荷聚集效應(yīng)的作用下

14、，電子被拉向電容的電子阱，而空穴被拉向P型襯底。當(dāng)存儲(chǔ)器為“1”態(tài)時(shí)，由于電子阱中缺乏電子，大量電子被補(bǔ)充進(jìn)去，從而使“1”態(tài)反轉(zhuǎn)成“0”態(tài)。而存儲(chǔ)器為“0”態(tài)時(shí)，因?yàn)殡娮于鍍?nèi)已充滿電子，所以不能反轉(zhuǎn)。試驗(yàn)表明，a粒子對(duì)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的損傷不僅發(fā)生在存儲(chǔ)電容上，而且主要發(fā)生在N+位線上。因?yàn)镹+區(qū)可以收集電子一空穴對(duì)中的電子，收集電子后改變了位線的電位從而使存儲(chǔ)單元讀出和寫入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)還表明，讀出放大器也可以產(chǎn)生兩種幾率的軟錯(cuò)誤。讀出放大器實(shí)際上是一個(gè)觸發(fā)器，在a粒子的作用下可以從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，并且兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的幾率同時(shí)存在。2 .核爆炸產(chǎn)生的聚變中子和其它高能中子也能引

15、起單粒子效應(yīng)。高能中子通過硅原子的核反應(yīng)淀積能量。一個(gè)14MeV的中子與硅原子作用，產(chǎn)生下列四種主要核反應(yīng)：0 (n,n)2814Si彈性散射，2814Si(n,p)2813Al1 (n,n/)2814Si非彈性散射，2814Si(n,2)2814Mg六種反應(yīng)產(chǎn)物中，a粒子具有最大能量，又加上其阻塞能力比質(zhì)子大，能在小體積內(nèi)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，因而對(duì)單粒子效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大。3.重核粒子，特別是宇宙射線中的核粒子，幾乎對(duì)所有的大規(guī)模集成電路都能產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。重粒子穿入硅片，由于庫(kù)侖力相互作用的結(jié)果，把能量傳給電子。帶有不同能量的二次電子，向不同方向發(fā)射，約經(jīng)過幾微米的距離并產(chǎn)生大量電子-空穴

16、對(duì)，形成一個(gè)圓柱型電離區(qū)。如果這個(gè)電離區(qū)，位于半導(dǎo)體器件的靈敏區(qū)，就會(huì)引起單粒子效應(yīng)。3*核輻射對(duì)半導(dǎo)體器件的影響提高電子系統(tǒng)的抗核輻射能力，除了在屏蔽和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的措施外，關(guān)鍵是提高電子元器件的抗輻射能力。大量試驗(yàn)表明，半導(dǎo)體器件和集成電路最容易受到核輻射的損傷。半導(dǎo)體器件不同，其輻射退化機(jī)理也不同。于雙極器件，輻射的瞬時(shí)損傷是PN結(jié)光電流，永久損傷則是電流增益下降/飽和壓降增加和漏電流增加。在結(jié)型器件中，可控整流器/單結(jié)晶體管和太陽能電池等最容易受到損傷。所以，在輻射環(huán)境中應(yīng)盡可能避免使用可控硅和單結(jié)晶體管，其次是功率管和低頻管，而高頻管稍好一些。MOS場(chǎng)效應(yīng)管器件的電離輻射損傷比

17、較嚴(yán)重，丫射線引起二氧化硅的電離陷阱及Si-SiO2界面態(tài)增加，使閾值電壓VT改變，而且減小溝道遷移率，從而降低跨導(dǎo)和增加噪聲。這其中最敏感的參數(shù)是VT。一.雙極晶體管的輻照特性1.雙極晶體管的電流增益受中子輻照的影響特別嚴(yán)重，中子輻照使其下降，下降幅度與下列因素有關(guān)：(1)與注入電流的大小有關(guān)。當(dāng)注入電流較大時(shí)，中子輻照對(duì)少數(shù)載流子壽命的影響較小，從而使電流增益下降也較小。(2)與基區(qū)寬度和雜質(zhì)分布有關(guān)?；鶇^(qū)愈窄，基區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流就愈小，電流增益的下降也愈小。(3)與工作頻率有關(guān)。頻率愈高，抗中子輻射能力愈好。2.對(duì)于功率晶體管，飽和壓降增加量是中子輻射引起的一個(gè)重要參數(shù)。其原因來自兩方面，

18、一方面是中子的多數(shù)載流子去除效應(yīng)引起芯片中硅材料電阻率增大；另一方面是中子的位移效應(yīng)引起電流增益降低導(dǎo)致飽和深度減小的結(jié)果。3.中子輻射引起開關(guān)晶體管開關(guān)上升時(shí)間增加，存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間減小。4.電離輻射對(duì)雙極晶體管造成的損傷，主要發(fā)生在器件表面的鈍化層內(nèi)，在鈍化層內(nèi)產(chǎn)生電離輻口陷阱，并在SiO2-Si界面產(chǎn)生新的界面態(tài)。對(duì)NPN管新生界面態(tài)增加了基區(qū)的表面復(fù)合率，輻照陷阱引起基區(qū)表面耗盡，從而增加了耗盡層體內(nèi)的復(fù)合率，它們導(dǎo)致電流增益顯著下降。對(duì)PNP管，輻照陷阱可以使輕摻雜的收集區(qū)產(chǎn)生耗盡層或反型層。反型層會(huì)一直延伸到硅片邊緣，由于邊緣有劃片留下的嚴(yán)重機(jī)械損傷，損傷缺陷形成載流子激發(fā)中心，

19、產(chǎn)生大量載流子，從而使漏電流Iceo大大增加，電流增益明顯下降。二.MOS晶體管的輻照特性1 .由于MOS管是多數(shù)載流子器件，因此具有很好的抗中子輻照能力。但它抗丫電離輻照的能力卻較差，因?yàn)镸OS管與雙極管不同，芯片表面的柵氧化物是MOS管本身的重要組成部分。丫射線的電離效應(yīng)在柵氧化物內(nèi)產(chǎn)生的電離陷阱(正電荷)相當(dāng)于在MOS管的柵介質(zhì)上加上了正偏壓，使MOS管的閾值電壓向負(fù)偏方向漂移，所以MOS管對(duì)電離輻射十分敏感。2 .MOS管受中子輻照也存在三種損傷機(jī)理：增加襯底材料的電阻率/減少溝道載流子遷移率/增加表面態(tài)密度。其中表面態(tài)密度增加是最主要的損傷因素。閾值電壓漂移同樣是MOS管受中子輻射損

20、傷的最主要標(biāo)志。閾值電壓向負(fù)方向漂移，在柵壓不變的條件下出現(xiàn)漏極電流下降，從而引起跨導(dǎo)降低。3 .可控硅整流器的輻照特性可控硅通常使用在大電流高電壓的條件下。它的互補(bǔ)PNP和NPN管具有基區(qū)寬度較大/結(jié)面積大雁材料電阻率較高/少數(shù)載流子壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，它對(duì)核輻射特別敏感，尤其在瞬時(shí)核輻射下容易產(chǎn)生栓鎖。中子輻照將引起可控硅特性嚴(yán)重惡化，出現(xiàn)陽極-陰極電壓和飽和電阻增大，維持電流和控制柵電流上升等。電離輻射的累積劑量也可引起可控硅整流器開關(guān)性能嚴(yán)重惡化，這是由于電離輻射使漏電流增大的結(jié)果。當(dāng)漏電流增加到一定程度時(shí)，就會(huì)使可控硅導(dǎo)通；在加偏壓的情況下更為敏感，10Gy（硅）照射下就會(huì)引起失效。

21、4 .太陽能電池的輻照特性硅太陽能電池多數(shù)是衛(wèi)星的主要電源，因?yàn)樘柲茈姵赝ㄟ^光電效應(yīng)能將入射的太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能，向人造衛(wèi)星提供能源。但太陽能電池對(duì)核輻射環(huán)境特別敏感。由于它安放于衛(wèi)星外表面，不斷受到宇宙空間高能粒子（如電子和質(zhì)子）的轟擊，使其電性能受到嚴(yán)重影響。高能粒子轟到硅太陽能粒子上的主要效應(yīng)是縮短少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而引起輸出電流的明顯下降。硅太陽能電池是PN結(jié)光敏器件，瞬時(shí)輻射使硅材料電導(dǎo)率增大，因而串聯(lián)電阻會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)降低的現(xiàn)象。中子輻照會(huì)引起太陽能電池永久性損傷，隨中子注量增加，它的輸出電流會(huì)明顯減小。太陽能電池的電子輻照效應(yīng)受硅片厚度和基區(qū)電阻率變化的影響較顯著。硅片越薄，

22、低注量電子輻照引起的損傷就越小。5 .雙極邏輯電路的輻照特性雙極邏輯電路抗中子輻射能力強(qiáng)，但由于芯片內(nèi)存在大量的有源器件和寄生二極管，因此抗瞬時(shí)輻射能力較差。電阻-晶體管邏輯（RTL）電路，由于有源器件較少，抗瞬時(shí)輻射能力比晶體管-晶體管邏輯（TTL）電路強(qiáng)。介質(zhì)隔離器件，由于沒有PN結(jié)隔離二極管，因此抗瞬時(shí)輻射能力提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。肖特基鉗位TTL（S/TTL）電路，由于硅片中沒有摻金，避免了栓鎖效應(yīng)，因此有較好的抗瞬時(shí)輻照能力。各種邏輯電路的抗瞬時(shí)輻照能力如表4-1所示。表4-1各種邏輯電路的瞬時(shí)輻照損傷閾值邏輯電路損傷閾值（Gy（硅）/S）RTL（電阻-晶體管邏輯）5*105-1*1

23、07DTL（二極管-晶體管邏輯）5*105-5*106TTL（晶體管-晶體管邏輯）1*106-3*106低功率TTL5*104-4*105介質(zhì)隔離DTL1*106-8*106介質(zhì)隔離TTL6*106-5*107肖特基鉗位TTL（S/TTL）1010電離輻射對(duì)雙級(jí)邏輯電路的損傷主要表現(xiàn)為內(nèi)部晶體管的電流增益下降/漏電流增大，而其它效應(yīng)如飽和壓降增大等則變化不明顯。一般電路可達(dá)到和超過1*106Gy（硅），但對(duì)于表面鈍化層質(zhì)量差的器件，在105Gy（硅）輻射下，漏電流就會(huì)嚴(yán)重增大。雙極邏輯電路的抗中子輻照能力較強(qiáng)，其主要原因是這種電路的設(shè)計(jì)余量很大，它允許晶體管的電流增益在很大范圍內(nèi)變化，而不影響

24、電路的正常工作。6 .雙極線性電路中由于采用了橫向PNP管和超增益管，它們又在工作在小電流狀態(tài)，因此，它對(duì)輻射損傷的靈敏度比雙極邏輯電路要高得多。中子輻照引起的線性電路內(nèi)部晶體管電流增益下降，下降最嚴(yán)重的橫向晶體管，在1013個(gè)中子/cm2的中子注量下，電流增益幾乎下降70%以上。其次是高增益晶體管，在同樣中子注量下，電流增益下降約50%。中子輻照引起線性電路參數(shù)變化，主要表現(xiàn)在輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流和偏置電流增大。電離輻照同樣會(huì)引起線性電路內(nèi)部晶體管電流增益嚴(yán)重下降。例如，高增益運(yùn)算放大器內(nèi)部的超增益NPN管在1*103Gy（硅）照射下，電流增益幾乎下降了半個(gè)數(shù)量級(jí)。電參數(shù)的變化主要表現(xiàn)

25、在輸入失調(diào)電壓/輸入失調(diào)電流/偏置電流增加，直流開環(huán)增益/上升速率和增益-帶寬乘積減少。線性電路抗瞬時(shí)輻射能力較差，因?yàn)樗擞休^多有源器件和寄生元件外，其晶體管又工作在放大區(qū)。在高計(jì)量率的瞬時(shí)輻照下，一般都可能產(chǎn)生二次光電流，使總光電流很大。它的抗瞬時(shí)輻照能力比雙極邏輯電路低一個(gè)數(shù)量級(jí)，約在105Gy（硅）/S的量級(jí)。線性電路的抗中子和抗電離輻射能力具有很大的分散性，其中約有30%的電路抗輻射能力較好。這是因?yàn)樗目馆椛湫阅茉诤艽蟪潭壬先Q于差動(dòng)輸入級(jí)晶體管的對(duì)稱匹配程度；對(duì)稱匹配很好時(shí)抗輻射性能就好。由于線性電路抗輻射能力分散性很大，因此抗輻射篩選的效果就比較好，可以通過抗輻射篩選挑選出抗

26、輻射能力較好的電路。七.集成注入邏輯（i2l）電路的輻照特性集成注入邏輯電路的基本單元由一個(gè)橫向PNP管和NPN管組成，PNP管向NPN管的基區(qū)注入電流，輸出電壓低于一個(gè)二極管的正向壓降。I2L基本單元白正視圖/剖面圖和線路圖如圖4-1所示。I2L電路由于器件之間不需要隔離/邏輯擺幅小（0.6-0.7V）沒有電阻/NPN管bc結(jié)面積小等原因，使它具有較好的抗瞬時(shí)輻射能力，預(yù)計(jì)比雙極邏輯電路tWj12個(gè)量級(jí)。CPCN圖4-1|2L基本單元結(jié)構(gòu)和電路中子輻射和電離輻射都會(huì)引起L電路內(nèi)部晶體管電流增益下降（PNP管的a,NPN管的3）下降。下降的原因如下：1 .橫向PNP管的基區(qū)較寬，有較大面積，電

27、離輻照后表面漏電流增大。又由于基區(qū)摻雜濃度低，中子輻照后表面復(fù)合電流增大。2 .縱向NPN管處于反向運(yùn)用，EB結(jié)空間電荷區(qū)較厚，在丫射線照射后表面漏電流增大，中子輻照后空間電荷區(qū)復(fù)合電流增大。3 .NPN管發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)低于基區(qū)，發(fā)射效率低。但第二代注入邏輯電路，由于采用離子注入工藝可獲得最佳摻雜截面，從而消除了減速場(chǎng)，獲得了較高的發(fā)射效率，提高了抗輻射能力。8 .CMOS電路在電離輻照后因N溝和P溝MOS管閾值電壓發(fā)生漂移，引起輸出低電平上升/抗干擾能力下降/靈敏度提高/速度下降和漏電流增大等。由于CMOS電路存在固有的光電流補(bǔ)償效應(yīng)，因此瞬時(shí)輻照是產(chǎn)生的光電流較小。COMS電路由NMOS

28、管和PMOS管構(gòu)成互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，輻照后在反相器輸出端的N-MOS管和P-MOS管的漏極二極管上所產(chǎn)生的光電流，由于方向相反而相互補(bǔ)償；因此，不會(huì)在輸出端引起瞬態(tài)信號(hào)（源極二極管/P阱二極管和輸入二極管的光電流都不會(huì)流經(jīng)輸出端），光電流產(chǎn)生的補(bǔ)償情況如圖4-2所示。但是瞬時(shí)輻照產(chǎn)生白光電流會(huì)引起CMOS電路發(fā)生栓鎖。試驗(yàn)表明，在3*106Gy（硅）/S的輻射劑量下就會(huì)發(fā)生栓鎖現(xiàn)象。提高CMOS電路抗栓鎖能力的關(guān)鍵是消除和消弱產(chǎn)生栓鎖的條件，具體措施在抗核加固一節(jié)中敘述。圖4-2CMOS電路中的光電流補(bǔ)償9 .N-MOS電路的輻照特性N-MOS電路具有集成度高，速度-功耗乘積合適等優(yōu)點(diǎn)，在電子系統(tǒng)中已

29、得到廣泛的應(yīng)用。但是它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即抗輻射能力很差，特別是N-MOS微處理器（CPU）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器是抗輻射能力最差的集成電路。當(dāng)電離輻射達(dá)到17Gy（硅）時(shí)CPU就開始受到損傷，30Gy（硅）時(shí)幾乎完全失效。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，在電離輻射達(dá)到17Gy（硅）時(shí)就開始受到損傷，35Gy（硅）時(shí)幾乎完全失效。所有試驗(yàn)樣品的損傷，主要都是由于MOS管閾值電壓漂移引起的。4*核電磁脈沖損傷一.電子系統(tǒng)的核電磁脈沖損傷核武器爆炸，特別是高空核爆炸產(chǎn)生的核電磁脈沖，被普遍認(rèn)為是核爆炸產(chǎn)生的諸殺傷因素中威脅最大的因素。核電磁脈沖在電子系統(tǒng)的電纜和其它形式的天線上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，可以流入電子系統(tǒng)內(nèi)部，使

30、電子系統(tǒng)產(chǎn)生瞬時(shí)干擾和永久性損傷。高速數(shù)字電路對(duì)核電磁脈沖的感應(yīng)電流非常敏感,當(dāng)它的輸入/輸出或電源端受到瞬時(shí)干擾時(shí)，都可能改變邏輯狀態(tài)。通常計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器本身具有較好的抗核電磁脈沖能力，但是存儲(chǔ)器的寫入電路在瞬時(shí)的干擾下，可以在存儲(chǔ)器中存入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。核電磁脈沖產(chǎn)生的感應(yīng)電流可以觸發(fā)半導(dǎo)體器件發(fā)生栓鎖而燒毀，如果栓鎖效應(yīng)沒有引起器件燒毀，器件性能還可以由重新偏置得到恢復(fù)。核電磁脈沖的感應(yīng)電流，當(dāng)引入數(shù)字邏輯電路的輸出端時(shí)，主要表現(xiàn)是輸入端發(fā)生柵穿或燒毀保護(hù)電路。核電磁脈沖感應(yīng)電流引入CMOS電路的輸入/輸出端時(shí)則會(huì)觸發(fā)栓鎖而損傷。對(duì)于屏蔽/接地良好和無窗口的電子系統(tǒng)，核電磁脈沖損傷主要是從電纜和

31、其它形式的天線輸入端引入器件的。所以，研究電子系統(tǒng)的核電磁脈沖損傷，主要是研究輸入端電子器件的核電磁脈沖效應(yīng)，從而使研究工作得到大量簡(jiǎn)化。二.電子器件的PN結(jié)面積愈大，抗核電磁脈沖的能力愈強(qiáng)。雙極晶體管的BC截面積比EB截面積大得多，其抗核電磁脈沖的能力也大得多。MOS器件的抗核電磁脈沖能力與保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)和柵氧化物的擊穿電壓有關(guān)。隨著集成度的提高，電子器件核電磁脈沖的能力愈來愈差。通常用最低損傷能量表示電子器件的核電磁脈沖損傷的閾值。部分半導(dǎo)體器件的損傷閾值如表4-2所示。核電磁脈沖引起電子系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)干擾的能量很低，通常在109J以下即可發(fā)生。一些典型的核電磁脈沖引起瞬時(shí)干擾的最低能量如表

32、4-3所示。4-2電子器件的核電磁脈沖損傷閾值器件名稱損傷，清況損傷閾值(J)微波混頻二極管燒毀10-7線性集成電路干擾或燒毀10小功率晶體管和雙集成電路干擾或燒毀10-5CMOS邏輯電路/中功率晶體管/二極管永久性破壞10-4齊納二極管/可控硅/結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管/大功率管/薄膜電阻受到破壞10-3表4-3核電磁脈沖干擾的最低能量器件種類故障情況最低能量典型邏輯門構(gòu)成的邏輯電路邏輯干擾93*10J-K觸發(fā)器電路邏輯干擾-104*10布羅局速計(jì)算機(jī)磁芯存儲(chǔ)器接線抹擦-92*10布羅中速計(jì)算機(jī)磁芯存儲(chǔ)器接線抹擦-95*10RCA中速計(jì)算機(jī)磁芯存儲(chǔ)器接線抹擦-93*10典型高增益放大器干擾-114*10

33、三.半導(dǎo)體器件的核電磁脈沖損傷機(jī)理1. PN結(jié)反偏時(shí)的損傷機(jī)理如下：(1)圍繞結(jié)的表面發(fā)生擊穿。在結(jié)的周圍形成很大的漏電通路而失效，但PN結(jié)本身并沒有損傷，只要刻蝕掉表面鈍化層，就可以使PN結(jié)得到復(fù)原。通過合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種擊穿。(2)穿過結(jié)的內(nèi)部發(fā)生擊穿。這種擊穿是由于電流集中引起局部高溫。電流密度足夠大時(shí)PN結(jié)發(fā)生二次擊穿，在結(jié)內(nèi)出現(xiàn)熱點(diǎn)，引起重新合金化和雜質(zhì)離子擴(kuò)散，導(dǎo)致PN結(jié)通路。二次擊穿損傷是積累性的，損傷點(diǎn)的形成與偏壓條件/過量的PN結(jié)電流和材料缺陷等有關(guān)。(3)介質(zhì)擊穿引起PN結(jié)短路。當(dāng)介質(zhì)擊穿時(shí)，較大的雪崩電流可以形成一條電磁脈沖放電通路，在介質(zhì)上造成針孔。2. PN結(jié)正

34、向偏置時(shí)的損傷機(jī)理：因核電磁脈沖產(chǎn)生很大感應(yīng)電流引起PN結(jié)出現(xiàn)溫升，引起內(nèi)部出現(xiàn)擊穿；但它比反偏PN結(jié)內(nèi)部擊穿所需的能量要大得多。單結(jié)的損傷機(jī)理，適用于晶體管的每個(gè)PN結(jié)。5*半導(dǎo)體器件的抗核加固一.抗核加固電子系統(tǒng)的器件選擇1 .設(shè)計(jì)抗核加固的系統(tǒng)，首先要選擇抗核輻射性能好的器件。為了便于使用者合理的選擇半導(dǎo)體器件，表4-4列出了常用半導(dǎo)體器件的抗核能力。表4-4半導(dǎo)體器件的抗輻射能力比較器件種類抗中子輻射能力中子/cm2抗電曷輻射能力Gy(硅)低頻功率晶體管1010-10111010中頻晶體管1012-10131010局頻晶體管1013-10141010結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1014-1015104

35、-105微波晶體管1014-1015整流二極管1013-1014104-105穩(wěn)壓二極管5*1013-5*1014104-105隧道二極管5*1014-5*1015>105單結(jié)晶體管5*1011-5*1012"TT'2約10可控硅5*1010-5*1013101邏輯電路<5*1011104-105線性電路5*1013-5*1015約103MOS電路12>5*10.2約10MOS場(chǎng)效應(yīng)管1014-10152約10從表中可以看出以下規(guī)律：(1) 一般晶體管的抗中子輻射能力約約1013個(gè)中子/cm2,抗電離輻射能力為104-105Gy(硅)。(2)同種材料/同一種

36、頻率響應(yīng)的晶體管，小功率晶體管比大功率晶體管的抗輻射能力強(qiáng)。(3)同種材料的高頻晶體管，比低頻晶體管的抗輻射能力強(qiáng)。(4)同種材料，相同功率的晶體管，NPN管比PNP管抗輻射能力好。(5)同種材料的二極管比三極管的抗輻射能力好。(6)同類形的晶體管，錯(cuò)晶體管比硅晶體管的抗輻射能力好。(7)單結(jié)晶體管及可控硅器件的抗輻射能力最差，比一般二極管低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。(8)微波器件的抗輻射能力最好，比一般晶體管高12個(gè)數(shù)量級(jí)。(9)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的抗中子輻射能力比雙極型晶體管好，比一般雙極型晶體管高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。(10)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的抗中子輻射能力比一般雙極晶體管高12個(gè)數(shù)量級(jí)。但它的抗電離輻射能力卻比一般雙

37、極晶體管低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。(11)雙極邏輯電路的抗輻射能力比一般分立器件好，可以高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。(12)在瞬時(shí)輻射劑量率大于104-105Gy/S時(shí)，一般晶體管將產(chǎn)生明顯的瞬時(shí)光電流。(13)高頻晶體管比低頻晶體管的抗瞬時(shí)輻射能力好。(14)小功率晶體管比大功率晶體管的抗瞬時(shí)輻射能力好。(15)開關(guān)晶體管比一般晶體管的抗瞬時(shí)輻射能力好。(16)雙極集成電路中，介質(zhì)隔離比PN結(jié)隔離的電路抗瞬時(shí)輻射能力要好得多。2.抗中子輻射加固。雙極型晶體管的抗中子輻射能力較差。采用下列工藝加固和線路加固可取得一定抗核效果。(1)減小晶體管的基區(qū)寬度，可減小少數(shù)載流子在基區(qū)的渡越時(shí)間，減少?gòu)?fù)合。(2)基區(qū)摻金

38、可以降低少數(shù)載流子壽命，相對(duì)地降低了輻射對(duì)少數(shù)載流子的壽命的影響。(3)采用濃基區(qū)/淺擴(kuò)散/薄外延/低電阻率以及陡發(fā)射結(jié)和圓形結(jié)構(gòu)等。(4)設(shè)計(jì)雙極器件電子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分注意提高晶體管增益的設(shè)計(jì)余量。(5)共發(fā)射極放大器中采用低阻偏置線路對(duì)電路進(jìn)行加固，這種加固可提供較強(qiáng)的基極驅(qū)動(dòng)電流。不同的電子系統(tǒng)有不同的線路加固方法，具體問題需要具體考慮。3.抗電離輻射加固。MOS器件抗電離輻射的性能較差，它的加固工作主要集中于溝道介質(zhì)方面。(1)加固工藝：用(100)晶向的硅襯底；1000*C干氧化工藝制備柵氧化層；氧化后在氮?dú)庵型嘶?，退火溫度低?50*C或者不退火。(2)減少柵氧化層厚度可以提高M(jìn)O

39、S器件的抗輻射能力。(3)柵氧化前用HCI凈化爐管(但不能在氧化時(shí)摻HCI)。(4)用碳增期蒸發(fā)鋁金屬化。(5)用燒氫氧化工藝制備柵氧化物。雙極器件的AL2O3和Si3N4表面鈍化技術(shù)能明顯的提高它的抗電離輻射能力。AL2O3薄膜具有較強(qiáng)的抗電離輻射能力，用等離子體陽極氧化和氣向沉積的AL2O3薄膜，抗電離輻射能力最好，幾乎提高了10-30倍。其機(jī)理解釋如下：(1)輻照前AL2O3薄膜的陷阱密度大，電離輻射產(chǎn)生的陷阱對(duì)它的密度增加影響不大；而SiO2薄膜輻照前陷阱密度較小，電離輻射產(chǎn)生的陷阱則使它的密度大大增加。(2) AL2O3薄膜在電離輻射下產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，當(dāng)電子離開薄膜和空穴俘獲之前，

40、電子和空穴就開始大量復(fù)合，從而使電子和空穴大大減少。(3) AL2O3薄膜中存在電子陷阱，電離輻射時(shí)它大量俘獲負(fù)電荷，從而補(bǔ)償了電離輻射引入的正空間電荷，使薄膜中正電荷明顯減少，甚至有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)純負(fù)電荷。Si3N4薄膜的抗電離輻射能力比SiO2薄膜高三倍。AL2O3和Si3N4薄膜受輻射后引入的正空間電荷比較少，用它們作為表面鈍化層，可以提高雙極器件的抗電離輻射能力。3.抗瞬時(shí)輻射加固。半導(dǎo)體器件抗瞬時(shí)輻射能力與器件PN結(jié)面積大小/反偏電壓高低及少數(shù)載流子壽命長(zhǎng)短有關(guān)。因此，減小PN結(jié)面積/降低反偏電壓和少數(shù)載流子壽命，可以提高器件的抗瞬時(shí)輻射能力。(1)TTL電路由于有源器件較多，PN結(jié)隔離

41、與擴(kuò)散電阻形成的寄生二極管，在瞬時(shí)輻射下會(huì)產(chǎn)生很大光電流，所以抗瞬時(shí)輻射能力較差。為了提高雙極器件的抗瞬時(shí)輻射能力，可采取以下加固措施：介質(zhì)隔離/薄膜電阻器/減小晶體管幾何尺寸/降低收集區(qū)電阻率和收集區(qū)厚度/光電流補(bǔ)償/加限流電阻/重?fù)浇鸷椭凶虞椪盏?。采用以上措施后，抗瞬時(shí)輻射能力可以提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這些加固措施中，用介質(zhì)隔離代替PN結(jié)隔離是主要的加固措施。(2)光電流補(bǔ)償是提高器件抗瞬時(shí)輻射能力的一種有效技術(shù)。光電流補(bǔ)償原理是線路加固的基礎(chǔ)。補(bǔ)償電路如圖4-3所示。圖中Q2是補(bǔ)償晶體管/BE結(jié)反偏。晶體管Q1產(chǎn)生的光電流，大部分流過晶體管Q2,從而降低了晶體管Q1產(chǎn)生二次光電流的可能性。

42、這種補(bǔ)償技術(shù)，要求晶體管Q2必須與晶體管Q1特性相同，只有這樣才能在很寬的劑量率范圍內(nèi)提供補(bǔ)償作用。(3)CMOS電路存在固有的可控硅結(jié)構(gòu)，瞬時(shí)輻射會(huì)觸發(fā)CMOS電路發(fā)生栓鎖，因此抗栓鎖加固也是抗瞬時(shí)輻射的一部分。提高CMOS電路抗栓鎖能力的關(guān)鍵是消除栓鎖產(chǎn)生的條件。目前采取的措施有：A.減少少數(shù)載流子的壽命。用摻金和中子輻照來降低少子壽命。B.通過合理的器件設(shè)計(jì)，可以提高CMOS電路的抗栓鎖能力。例如：盡量減小“P阱”面積，以便于減小P阱一襯底結(jié)光電流；盡可能地多開設(shè)電源孔和接地孔，并且電源孔盡量設(shè)置在PMOS與P阱之間，接地孔開設(shè)在靠近PMOS管的P阱內(nèi)。C.抗栓鎖工藝：采用外延襯底和埋層

43、結(jié)構(gòu)，可大大降低襯底電阻/P阱電阻和降低寄生NPN管的電流增益；采用“偽收集極”結(jié)構(gòu)，可切斷引起栓鎖效應(yīng)的橫向電流。D.在電源線上串進(jìn)一個(gè)電感-電阻-電容(LRC)網(wǎng)絡(luò)，如圖，40-11所示。圖4-4電源濾波網(wǎng)絡(luò)4.抗核電磁脈沖加固。近十余年來，人們愈來愈重視電子系統(tǒng)的抗核電磁脈沖加固，已提出各種抗核加固方案，它們可歸結(jié)為三個(gè)主要方面。(1)對(duì)電子系統(tǒng)的外殼和電纜進(jìn)行全面屏蔽，電纜的插頭座必須保持與外殼和電纜屏蔽的連續(xù)性，并采用最佳接地方案。(2)用旁路的方法對(duì)感應(yīng)信號(hào)濾波和限壓。一般用的限壓器件有介質(zhì)擊穿器件/半導(dǎo)體擊穿器件和非線性擊穿器件/齊納穩(wěn)壓二極管等，其中半導(dǎo)體擊穿器件比較好。在穩(wěn)壓二極管上反向串聯(lián)一個(gè)結(jié)電容小的二極管，它不僅旁路電流大，而且高頻特性好。采用旁路電路加固的電子系統(tǒng)，抗核電磁脈沖能力可以提高二倍以上，對(duì)計(jì)算機(jī)可以達(dá)到8*104V/m以上。(3)元器件的選擇和加固。選擇抗核電磁脈沖最強(qiáng)的器件。上述三個(gè)方面中第一方面是最主要的。